In the present study, for first time the size dependent vibration behavior of a rotating functionally graded (FG) Timoshenko nanobeam based on Eringen's nonlocal theory is investigated. It is assumed that the physical and mechanical properties of the FG nanobeam are varying along the thickness based on a power law equation. The governing equations are determined using Hamilton's principle and the generalized differential quadrature method (GDQM) is used to obtain the results for cantilever boundary conditions. The accuracy and validity of the results are shown through several numerical examples. In order to display the influence of size effect on first three natural frequencies due to change of some important nanobeam parameters such as material length scale, angular velocity and gradient index of FG material, several diagrams and tables are presented. The results of this article can be used in designing and optimizing elastic and rotary type nano-electro-mechanical systems (NEMS) like nano-motors and nano-robots including rotating parts.
The aim of this present research is the effect of the higher-order terms of the governing equation on the forced longitudinal vibration of a nanorod model and making comparisons of the results with classical nonlocal elasticity theory. For this purpose, the free axial vibration along with forced one under the two various linear and harmonic axial concentrated forces in zigzag Single-Walled Carbon Nanotube (SWCNT) are analyzed dynamically. Three various theories containing the classical theory, which is called Eringen's nonlocal elasticity, along with Rayleigh and Bishop theories (higher-order theories) are established to justify the nonlocal behavior of constitutive relations. The governing equation and the related boundary conditions are derived from Hamilton's principle. The assumed modes method is adopted to solve the equation of motion. For the free axial vibration, the natural frequencies are calculated for the various values of the nonlocal parameter only based on Eringen's theory. The effects of the nonlocal parameter, thickness, length, and ratio of the excitation frequency to the natural frequency over time in dimensional and non-dimensional axial displacements are investigated for the first time.
In this paper, the classical and non-classical boundary conditions effect on free vibration characteristics of functionally graded (FG) size-dependent nanobeams are investigated by presenting a semi analytical differential transform method (DTM) for the first time. Three kinds of mathematical models, namely; power law (P-FGM), sigmoid (S-FGM) and Mori-Tanaka (MT-FGM) distribution are considered to describe the material properties in the thickness direction. The nonlocal Eringen theory takes into account the effect of small size, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanosensors and nanoactuators. Governing equations are derived through Hamilton's principle and they are solved applying semi analytical differential transform method. The good agreement between the results of this article and those available in literature validated the presented approach. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as small scale effects, spring constant factors, various material compositions and mode number on the normalized natural frequencies of the FG nanobeams in detail. It is explicitly shown that the vibration of FG nanobeams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FG nanobeams.
In this article, the vibration behavior of embedded Functionally Graded Nanoplate (FGNP) employing nonlocal Kirchhoff's plate theory has been investigated under hygrothermal environment. The FGNP is considered to be supported by Winkler-Pasternak foundation. The Eringen's differential theory is used for size effect on the vibration of the FGNP. Rayleigh-Ritz method with orthogonal polynomials are employed for the governing equations and edge constraints. The advantage of this method is that it overcomes all the drawbacks of edge constraints and can easily handle any combinations of mixed edge constraints. The coefficients viz. moisture expansion, thermal expansion and elastic coefficients are considered to be transversely graded across the FGNP. The similarity of the calculated natural frequencies is examined with the previous research, and a good concurrency is seen. The objective of this article is to analyze the parameters' effect on the nondimensionalized frequency of embedded FGNP under hygrothermal environment subjected to all possible edge constraints. For this, uniform and linear rise of temperature and moisture concentration are considered. The study highlights that the nonlocal effect is pronounced for higher modes. Moreover, the effect of the Pasternak modulus is seen to be prominent compared to the Winkler modulus on non dimensionalized frequencies of FGNP.
In this study, it is attempted to obtain the optimum size of holes in 15 square plate models where a hole exists on every quadrant of a plate, and to get eigenvalues by performing free vibration analysis far each model. Moreover, the specimen is produced from optimized square plate and eigenvalue of each plate is measured through the shocking load. And then the result is compared with that of finite element analysis. For free vibration analysis of the square plate, the boundary condition of finite element analysis and experiment is assumed as both ends support. From the results of this study, it is known that more stable structures can be designed by changing the natural frequency which is dependent on the location of holes and further studies are considered to be necessary for the basic design information.
In this study, it is attempted to obtain the optimum size of holes in 15 square plate models where a hole exists on every quadrant of a plate, and to get eigenvalues by performing free vibration analysis for each model. Moreover, the specimen is produced from optimized square plate and eigenvalue of each plate is measured through the shocking load. And then the result is compared with that of finite element analysis. For free vibration analysis of the square plate, the boundary condition of finite element analysis and experiment is assumed as both ends clamped support. From the results of this study, it is known that more stable structures can be designed by changing the natural frequency which is dependent on the location of holes and further studies are considered to be necessary fur the basic design information.
Ebrahimi, Farzad;Barati, Mohammad Reza;Zenkour, Ashraf M.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제18권2호
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pp.255-269
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2017
Free vibration analysis is presented for a simply-supported, functionally graded piezoelectric (FGP) nanobeam embedded on elastic foundation in the framework of third order parabolic shear deformation beam theory. Effective electro-mechanical properties of FGP nanobeam are supposed to be variable throughout the thickness based on power-law model. To incorporate the small size effects into the local model, Eringen's nonlocal elasticity theory is adopted. Analytical solution is implemented to solve the size-dependent buckling analysis of FGP nanobeams based upon a higher order shear deformation beam theory where coupled equations obtained using Hamilton's principle exist for such beams. Some numerical results for natural frequencies of the FGP nanobeams are prepared, which include the influences of elastic coefficients of foundation, electric voltage, material and geometrical parameters and mode number. This study is motivated by the absence of articles in the technical literature and provides beneficial results for accurate FGP structures design.
In this article, free vibration behavior of electro-magneto-thermo sandwich Timoshenko beam made of porous core and Graphene Platelet Reinforced Composite (GPLRC) in a thermal environment is investigated. The governing equations of motion are derived by using the modified strain gradient theory for micro structures and Hamilton's principle. The magneto electro are under linear function along the thickness that contains magnetic and electric constant potentials and a cosine function. The effects of material length scale parameters, temperature change, various distributions of porous, different distributions of graphene platelets and thickness ratio on the natural frequency of Timoshenko beam are analyzed. The results show that an increase in aspect ratio, the temperature change, and the thickness of GPL leads to reduce the natural frequency; while vice versa for porous coefficient, volume fractions and length of GPL. Moreover, the effect of different size-dependent theories such as CT, MCST and MSGT on the natural frequency is investigated. It reveals that MSGT and CT have most and lowest values of natural frequency, respectively, because MSGT leads to increase the stiffness of micro Timoshenko sandwich beam by considering three material length scale parameters. It is seen that by increasing porosity coefficient, the natural frequency increases because both stiffness and mass matrices decreases, but the effect of reduction of mass matrix is more than stiffness matrix. Considering the piezo magneto-electric layers lead to enhance the stiffness of a micro beam, thus the natural frequency increases. It can be seen that with increasing of the value of WGPL, the stiffness of microbeam increases. As a result, the value of natural frequency enhances. It is shown that in hc/h = 0.7, the natural frequency for WGPL = 0.05 is 8% and 14% less than its for WGPL = 0.06 and WGPL = 0.07, respectively. The results show that with an increment in the length and width of GPLs, the natural frequency increases because the stiffness of micro structures enhances and vice versa for thickness of GPLs. It can be seen that the natural frequency for aGPL = 25 ㎛ and hc/h = 0.6 is 0.3% and 1% more than the one for aGPL = 5 ㎛ and aGPL = 1 ㎛, respectively.
This paper analyzes nonlinear free vibration of the circular nano-tubes made of functionally graded materials in the framework of nonlocal strain gradient theory in conjunction with a refined higher order shear deformation beam model. The effective material properties of the tube related to the change of temperature are assumed to vary along the radius of tube based on the power law. The refined beam model is introduced which not only contains transverse shear deformation but also satisfies the stress boundary conditions where shear stress cancels each other out on the inner and outer surfaces. Moreover, it can degenerate the Euler beam model, the Timoshenko beam model and the Reddy beam model. By incorporating this model with Hamilton's principle, the nonlinear vibration equations are established. The equations, including a material length scale parameter as well as a nonlocal parameter, can describe the size-dependent in linear and nonlinear vibration of FGM nanotubes. Analytical solution is obtained by using a two-steps perturbation method. Several comparisons are performed to validate the present analysis. Eventually, the effects of various physical parameters on nonlinear and linear natural frequencies of FGM nanotubes are analyzed, such as inner radius, temperature, nonlocal parameter, strain gradient parameter, scale parameter ratio, slenderness ratio, volume indexes, different beam models.
In this paper, a size-dependent dynamic investigation of a porous metal foams microbeamsis presented. The novelty of this study is to use a metal foam microbeam that contain porosities based on the refined high order shear deformation beam model, with sinusoidal shear strain function, and the modified strain gradient theory (MSGT) for the first time. The Lagrange's principle combined with differential quadrature hierarchicalfinite element method (DQHFEM) are used to obtain the porous microbeam governing equations. The solutions are presented for the natural frequencies of the porous and homogeneoustype microbeam. The obtained results are validated with the analytical methods found in the literature, in order to confirm the accuracy of the presented resolution method. The influences of the shape of porosity distribution, slenderness ratio, microbeam thickness, and porosity coefficient on the free vibration of the porous microbeams are explored in detail. The results of this paper can be used in various design formetallic foammicro-structuresin engineering.
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